Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069
Materiálové inženýrství Material Engineering
Výzkum svařitelnosti místních vad v podmínkách tváření Research of Weldability of Local Defects at Conditions of Forming Ing. Jakub Horník, Ph.D., Prof. Ing. Petr Zuna, CSc., D.Eng.h.c., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav materiálového inženýrství, Doc. Ing. František Jandoš, CSc., PILSEN STEEL s.r.o., Plzeň
Výzkum byl motivován občasným vyřazováním těžkých výkovků z důvodu výskytu drobných vnitřních vad metalurgického původu v osové části výkovků, respektive také pro negativní ultrazvukové indikace o velikostí těsně nad hranicí přípustnosti, v jejichž případě se nedařilo defekty fyzicky dohledat a byly proto pokládány za shluky mikrodutin licího původu. Kování se odehrává v širokém rozmezí teplot asi 1180°C - 800°C, přičemž podmínky pro svařování vnitřních vad se s klesající teplotou tváření zhoršují. Smyslem této studie bylo posoudit možnosti svařování vnitřních vad při jednotlivých teplotách ležících v rozmezí kovacích teplot. Příspěvek hodnotí vliv velikosti deformace a tvářecí teploty na svařitelnost modelové vady v podmínkách laboratorních zkoušek, při nichž vzorek s umělou vadou byl deformován v tlaku. Experimentálním materiálem byla uhlíková ocel C45E a modelová ocel se zvýšeným obsahem Al a N. Sledována byla kvalita metalického spojení defektu a mikrostrukturní projevy. The research of welding at forging conditions was motivated by the occasional discarding of heavy forgings due to the presence of small internal defects of metallurgical origin. These defects were found namely in the axis of forgings and were detected as negative ultrasound indications. After the vain efforts to locate them physically, these defects were considered to be clustered micro-voids of casting origin present in the vicinity of forgings axis. Forging itself proceeds at wide range of temperatures (around 1180°C – 800°C), in which the strain conditions at highest and lowest forming temperatures are significantly different. Deformation intensity leading to the elimination of internal cracks, which are usually defects in the ingot axis, depends strongly on the force of the forging press and therefore on the depth of penetration of plastic deformation under the surface of forgings. Intensity of deformation throughout the section of the forgings is significantly inhomogeneous. The laboratory testing program was designed with the aim to evaluate and define conditions (deformation and temperature) for acceptable welding of defects using simple pressure deformation mode. The model defect was prepared in cylinder shape samples. Various upsetting deformation intensities at the temperature range of 800°C to 1150°C were applied on two types of carbon steels. The first one was the commercial C45E steel grade and the other one was the experimental casting with purposely increased content of Al and N. The quality of the joint connection together with the metallographic effect at the weld surroundings were monitored. After the one-step upsetting deformation applied on the laboratory sample at given thermo-mechanical conditions it was verified that at the temperatures below 950°C and local deformations smaller than 50 %, it is impossible to weld the artificial defects. Higher deformation intensity increases the quality of the connection. The deformation temperature of 1150°C and local deformation over 50 % result in high-quality welding of the model defects. At these temperatures, however, an intensive grain coarsening in both evaluated steels already occurs. The paper was prepared within the framework of the research project MPO FT-TA 3/083.
Úvod U řady typů těžkých výkovků se občas vyskytují vnitřní nesvařené vady, obvykle v okolí jejich metalurgické osy. Kování probíhá v širokém rozmezí teplot asi 1180°C – 800°C, v němž podmínky pro kovářské svařování vad v každém deformačního kroku při obvyklém stupni deformace kolem 15 % až 20 % jsou v oblasti nejvyšších a nejnižších kovacích teplot výrazně rozdílné. Stupeň prokování vedoucí k eliminaci vnitřních trhlin, jako jsou obvyklé vady v osové oblasti ingotu, závisí výrazně na síle kovářského lisu a tudíž hloubce průniku plastické deformace pod povrch výkovku. Průběh intenzity deformace v průřezu předkovku je tedy značně nehomogenní. Lze přepokládat, že v uvedeném teplotním rozmezí existuje mezní teplota, pod níž je svařování vnitřních vad obtížné či nemožné. Svařování vnitřních vad se tedy
neodehrává v celé šíři aplikovaných teplot volného kování. V uvedené studii byla za zvolených teplotnědeformačních podmínek hledána tato mezní teplota při jednostupňové deformaci, zatímco při kování se konečného deformačního stupně dosahuje postupně, v řadě menších deformačních kroků, u každého kroku při jiné teplotě. Na základě těchto skutečností byl motivován experimentální program realizovaný v laboratorních podmínkách na vzorcích s uměle vytvořenou vadou, v němž se posuzovala možnost kovářského svaření defektu za různých termomechanických podmínek Výsledky laboratorního šetření, které mělo přispět k poznání možnosti svařování vnitřních vad za zvolených termomechanických podmínek tváření bylo prvním krokem na cestě k poznání možnosti, jak těchto poznatků využít ve výrobní praxi (řešení v rámci projektu FT-TA 3/083) [1], [2].
41
Materiálové inženýrství Material Engineering
Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069
Experimentální materiál byl dodán firmou PILSEN STEEL s.r.o. Zkoušky svařitelnosti vnitřních trhlin byly provedeny na uhlíkové oceli C45E (A) a na experimentální tavbě (B) s nižším obsahem uhlíku a zvýšeným obsahem dusíku a hliníku, jejichž chemické
složení udává tabulka 1. Experimentální vzorky z oceli C45E byly opatřeny modelovou vadou vyvrtáním příčného otvoru o průměru 5 mm. Otvor byl uzavřen čepem a následně zavařen (obr. 1).
Použitý materiál a metodika experimentu Tab. 1 Chemické složení sledovaných ocelí [hm. %] Tab. 1 Chemical composition of monitored steels [wt. %]
Vzorek A B
Ocel C45E Ex. tavba
C 0,45 0,20
Mn 0,75 0,83
Si 0,19 0,28
P 0,005 0,013
Experimentální vzorky tavby A se záměrně vytvořenými vadami a vzorky tavby B s přirozenou porozitou, která je důsledkem zvýšeného množství dusíku v tavbě, byly tvářeny za podmínek odpovídajících reálnému stavu při kování. Posuzován je stupeň metalického svaření v rozsahu tvářecích teplot 800°C – 1150°C. Jsou sledovány mikrostrukturní projevy různé úrovně svaření defektů v závislosti na teplotě a velikosti deformace.
∅ 50 mm
otvor
závar
čep
∅ 25 mm Obr. 1 Zkušební vzorek Fig. 1 Testing sample
Deformace probíhaly při teplotách 800°C, 950°C a 1150°C na univerzálním trhacím stoji WEB 50 s měřícím systémem TEMPOS při rychlosti tlakové deformace 240 mm/min. Velikost deformace odpovídala 15 %, 25 % nebo 40 % původní výšky vzorku. Měřením velikosti deformace na stoupání závitu osově umístěného šroubu pak byla zjištěna pro deformace 25 % a 40 % původní výšky skutečná deformace ve středu vzorku 50% respektive 65 %. Po dosažení požadované deformace chladly vzorky volně na vzduchu nebo byly ochlazeny ve vodě. Ohřev vzorků probíhal v odporové elektrické peci LAC s programovatelným teplotním režimem. Manipulační čas pro přenesení vzorku z pece a začátek deformace činil 7 až 10 sekund. Pro zajištění jmenovité teploty deformace byla na základě předchozích měření a experimentů zvýšena teplota v peci na závěr doby austenitizace o 50°C po dobu 10 min. Každé
42
S 0,003 0,017
Cr 0,09 0,06
experimentální tlačných desek.
Mo 0,035
V 0,857
deformaci
Al 0,012 0,03
předcházelo
N 0,008 0,035 předehřátí
Kvalita spojení vzorků byla hodnocena s využitím světelné mikroskopie na výbrusech leptaných 4 % nitalem. Jednotlivé zpracované vzorky byly navíc podrobeny metalografické analýze. Sledována byla struktura, velikost primárního a sekundárního zrna a na laboratorně deformovaných vzorcích ochlazených ve vodě pak rekrystalizační procesy. Hodnocení probíhalo vždy v centrální oblasti vzorků, tedy v zóně nejméně ovlivněné parazitním ochlazením během experimentu. Sekundární struktura byla zviditelněna 4 % Nitalem. Primární zrno vzorků ochlazených ve vodě bylo vyvoláno leptadlem na bázi kyseliny pikrové. Detailnější strukturní analýza byla prováděna pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu ve spojení s energiově disperzní analyzátorem. Vzhledem k vysokému obsahu dusíku tavby B je odlitek silně porézní. Přirozená uzavřená porozita v odlitku je pro výzkum svařitelnosti vhodná vzhledem k předpokladu kovově čistého povrchu těchto vad. Velikost deformace vzorků tavby B byla 40 % původní výšky. Skutečná deformace však nemohla být přesně stanovena vzhledem ke zmiňované porozitě.
Výsledky zkoušek a jejich diskuze Deformace 15 % původní výšky Sledované parametry při popsaném uspořádání zkoušky a geometrii vzorku nemohly být pro tuto velikost deformace stanoveny. Vzhledem k nehomogennímu rozložení deformace ve vysokém vzorku nedojde ke kontaktu povrchů modelové vady Deformace 50 % a 65 % • Teplota deformace 800°C Při teplotě deformace 800°C nedochází v tavbě A ke spojení modelové vady. Lokálně lze pozorovat těsnější kontakt mezi oběma povrchy. Po vyšším stupni deformace 65 % je spojení těsnější, ale v obou případech nevyhovující (obr 2). Struktura je velmi jemná, feriticko- perlitická, zrno má polyedrický tvar.
Materiálové inženýrství Material Engineering
Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069
• Teplota deformace 950°C Deformace 50 % při teplotě 950°C vede již k těsnému spojení obou povrchů vady (obr 3). V oblasti spoje se vyskytuje ferit spolu s velkým množstvím drobných pórů a nesvařených zón. V těchto oblastech byla analýzami WDX a EDX zjištěna přítomnost oxidů zejména Mn a Si (obr. 4) spolu se zvýšeným množstvím uhlíku. Jejich původ lze předpokládat znečištěním povrchu modelové vady při obrábění (oxidace povrchu,
zbytky řezné kapaliny). Vyšší stupeň deformace pak vede k výraznému zlepšení kvality spoje. Deformace 50 % vede u experimentální tavby B v oblastech uzavřené porozity k velmi kvalitním spojům (obr. 5). V místech bublin a ředin se předpokládá kovově čistý povrch bez oxidace a znečištění, což výrazně zlepšuje kvalitu spojení a blíží se reálnému stavu vad vzniklých při kování.
0,2 mm
0,2 mm deformace 50 % Obr. 2 Oblast svaru po deformaci při teplotě 800°C – tavba A Fig. 2 Area of weld after deformation at 800 ° C - melt A
deformace 65 %
0,2 mm 0,2 mm deformace 50 % Obr. 3 Oblast svaru po deformaci při teplotě 950°C - tavba A Fig. 3 Area of weld after deformation at 950 ° C – melt A
deformace 65 %
800
002
720
640
C-K
Mn-K Fe-K
Fe-L 560
O-K
Counts
480
400
320
240
Fe-L Mn-L Mn-L
Si-K
Mn-K
S-K S-K
Fe-K
FeKesc
160
80
0 0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
keV
Obr. 4 Mikroanalýza částic v okolí spoje (SEM + EDX) Fig. 4 Microanalysis of inclusions in the weld surroundings (SEM + EDX
43
Materiálové inženýrství Material Engineering
Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069 Teplota 1150°C zajistí u tavby A již dobré spojení obou povrchů vady při obou stupních deformace. Lokálně se však i zde vyskytují oblasti s drobnými póry a oxidy. Struktura při této teplotě však již hrubne, ferit tvoří obálky perlitických zrn, případně se vylučuje v jehlicovité podobě (obr. 6). V okolí vady je zrno opět jemnější a převažuje výskyt feritu. svědčící o lokálním oduhličení. Lokání zvýšení deformace v místě dotyku obou povrchů vady a v jejich okolí vede k rekrystalizaci deformovaných zrn. Vznik rekrystalizačních zárodků a jejich růst přispívá ke „spojení“ trhliny [3].
Obr. 5 Deformace při 950°C, vyšší stupeň deformace (40 % původní výšky), tavba B Fig. 5 Deformation at temperature 950°C, higher deformation ratio (40 % of the original sample height), melt B
Sekundární struktura obou ocelí je tvořena feritem a perlitem, zrno je oproti deformaci při teplotě 800°C hrubší, ojediněle se vyskytují i velmi hrubá zrna. Jemné feritické zrno přítomné v těsném okolí trhliny ukazuje na lokální oduhličení povrchových partií defektu, zvláště u vzorků s modelovou vadou. • Teplota deformace 1050°C a 1150°C Teplota deformace 1050°C aplikovaná pouze na tavbě B vede k velmi kvalitnímu spojení vady. Za těchto podmínek je patrný mírný nárůst velikosti zrna oceli a tím i zhrubnutí sekundární struktury spolu se zvýšením podílu jehlicovitého feritu oproti teplotě 950°C (obr. 7).
Teplota 1150°C při deformaci 40 % původní výšky vzorku vede u oceli B k výraznému zhrubnutí zrna (obr. 7). Struktura tavby B je ve všech případech feriticko-perlitická. Ferit se vyskytuje jak v polyedrické, tak i v jehlicovité podobě. Podíl jehlicovitých útvarů feritu narůstá s vyšší teplotou deformace a tedy i s rostoucí velikostí zrna v oceli. Místa s otevřenou porozitou v tavbě B vykazovala i tomto případě značný stupeň oxidace a oduhličení podobně jako u modelové vady vzorků z oceli A. Oxidické vrstvy přítomné na povrchu otevřených pórů a dutin jsou kompaktní a zhoršují kvalitu spojení protilehlých povrchů defektu na rozdíl od uzavřených vad bez kontaminace. Nižší obsah uhlíku v experimentální tavbě vede obecně ke zlepšení svařitelnosti.
0,2 mm
0,2 mm deformace 25 % Obr. 6 Oblast svaru po deformaci při teplotě 1150°C Fig. 6 Area of the weld after deformation at temperature 1150°C
44
deformace 40 %
Hutnické listy č.2/2010, roč. LXIII ISSN 0018-8069
Materiálové inženýrství Material Engineering
1050°C
1150°C
Obr. 7 Oblast svaru po deformaci 40 % původní výšky tavby B při různých teplotách Fig. 7 Area of the weld after deformation 40 % of original sample height, temperature 1050 and 1150, melt B
Závěry Byl vyvinut tvar vzorku s vnitřní vadou pro tvářecí zkoušky v tlaku a provedeny první experimenty s cílem získat představu o možnosti svařování metalurgických vad v podmínkách volného kování nelegovaných ocelí tj. v rozmezí teplot 800°C – 1150°C při deformaci do 65 %. Předběžně bylo ověřeno, že při teplotách nižších než 950°C nelze při deformacích menších než 50 % vnitřní umělé vady kovářsky svařit. Vyšší stupeň deformace zvyšuje kvalitu spoje. Při tvářecích teplotách 1150°C vede deformace nad 50 % k velmi kvalitnímu svaření modelových vad. Za těchto teplot však již dochází ke zhrubnutí zrna obou hodnocených ocelí.
Svařitelnost lokálních vad v oceli B je výrazně lepší vzhledem k čistotě povrchu uzavřených pórů spolu s nižším obsahem uhlíku v této oceli
Příspěvek vznikl v rámci řešení výzkumného projektu MPO FT-TA 3/083.
Literatura [1] [2] [3]
Žídek, M.: Metalurgická tvařitelnost ocelí za tepla a za studena. Aleko, Praha, 1995. ISBN 80-85341-45-X Jandoš, F. a kol.: Závěrečná zpráva k projektu MPO TANDEM FT – TA3/083, Pilsen Steel s.r.o, Plzeň, 2010 Pluhař, J. – Koritta, J: Strojírenské materiály, SNTL Praha 1997
Recenze: Doc. Ing. Karel Matocha, CSc. Prof. Ing. Jiří Kliber, CSc.
_____________________________________________________________________________________________
V Londýně bude stát Mittálovka. Britská odpověď Paříži denikreferendum.cz
1.4.2010
Zakroucená věž z červené oceli bude v souvislosti s olympijskými hrami 2012 novou dominantou východního Londýna. Návrh, který zvítězil v konkurenci šestapadesáti dalších projektů, představil včera londýnský starosta Boris Johnson, navrhl umělec indického původu Anish Kapoor a zaplatí ji Lakšmí Mittal. 120 m vysoká konstrukce jménem ArcelorMittal Orbit bude dominovat londýnskému olympijskému parku. Z kruhové plošiny budou mít návštěvníci výhled nejen na olympijský stadion ve Stratfordu, ale i na celé město. Londýnský obr má být vyšší než Socha svobody v New Yorku a představitelé města doufají, že zůstane nejen vzpomínkou na olympijské hry, ale i vyhledávanou turistickou atrakcí. V jistém smyslu má rovněž být protivou pařížské Eiffelovy věže. „Kapoor zvítězil, protože nápad postavit věž transformoval a přizpůsobil ho britskému umění,“ řekl o díle starosta Johnson. Dílo má přijít na více než půl miliardy korun a na stavbu bude použito kolem 1400 t oceli. Stavba by měla začít okamžitě a předběžným termínem dokončení je prosinec 2011. Autor Orbitu Kapoor se narodil v Bombaji a vystudoval uměleckou školu v Británii. Roku 1991 získal britskou Turnerovu cenu, která se v Británii uděluje moderním umělcům. Inspirací při tvorbě návrhu mu mimo jiné byla i Babylonská věž. „V mém díle je také dávnověká chuť dotknout se nebes, dokázat stavbu nemožného“ vysvětlil Kapoor. SB
45
